十二.UART串口通訊

本文轉載自查看原文 2022-01-18 14:38 1900 Linux開發板學習——裸機篇

一個嵌入式設備，串口基本上就是最常用到的外設了，通過串口可以將開發板和電腦連接，也有很多外設是通過串口來進行數據交互的。今天就來搞一下I.MX6UL的串口通訊，實現和電腦通訊的效果。

UART接口

I.MX6UL的串口外設叫做UART(Universal Asynchronous Receiver/Trasmitter)，即異步串行收發器。UART作為串口的一種，其工作原理也是將數據位一幀一幀的進行傳輸，數據的發送和接收共用一條線纜，所以UART接口與外設相連的時候最少需要3根線：TXD、RXD和GND。下面的圖是UART的通訊格式

起始位(StartBit)是一個邏輯0

空閑位：在起始位前面的狀態為邏輯1,表示沒有數據，空閑中。

數據位：實際要傳輸的數據，一般是按照字節闡述，一個字節8位，低位在前先傳輸，高位在后面傳輸。

停止位(StopBit)邏輯1，位數可以是1、1.5或2個bit。

UART電平標准

UART一般接口電平有TTL和RS232電平，開發板上的TXD和RXD對應的就是TTL電平，使用低電平表示0,高電平表示1；而DB9接口就是對應的RS232接口，用-3~-15V表示邏輯1,+3~+15V表示邏輯0,采用差分線連接。在使用RS232時候一定要注意接口電平，不要燒毀外設。

由於現在電腦上基本都不帶COM口，而在寫單片機什么的需要串口，這就需要一個USB轉TTL電平的芯片。最常用的就是CH340。比如Arduino(nano版)的的背后就有個CH340C。用過這個芯片和USB連接就可以實現串口功能(很多USB轉232的設備就是用的這個芯片)。

I.MX6UL的UART接口

I.MX6UL提供了8組UART接口，結構體如下：

具備如下特點：

兼容TIA/EIA-232-F標准，最高速率5.0M/s
支持串行IR接口，兼容IrDA，最高速率115200bps
支持9位或多點的RS-485模式
232可以選擇7或8位的字符格式，485模式9bit格式
停止位1或2個bit
可編程的奇偶校驗
最高到115200bit/s自動波特率檢測
等等等等，太多了

IMX.6UL的UART的功能有非常多，我們這里只用做最基礎的串口通訊功能，具體的實際作用參考手冊Chapter 55給了非常詳細的介紹。

主要寄存器

UART相關寄存器也比較多，因為Soc一共有8組UART，這里截取；一組的寄存器映射

但是要注意的是，雖然8組UART里各個寄存器功能序列是一樣的，但是這個內存映射不是從UART1開始的，而是從UART7開始的。

下面看看幾個我們要用到的寄存器

UARTx_URXD

接收數據寄存器UART Receiver Register，寄存器結構如下：

寄存器全部為只讀，我們主要用到就是最后的低8位，用來存儲接收的數據。另外，bit[10]=1時可以在RS485模式下，數據結構為9bit時保存第九個bit的數據

UARTx_UTXD

發送數據寄存器UART Transmitter Register，用來存放待發送的數據。

寄存器低8位有效，在7bit數據結構下，bit[7]可以忽略，如果想要將數據寫入該寄存器，需要確認TRDY(UARTx_UCR1[13])必須為高電平，即當前沒有數據被發送。

UARTx_UCR1

控制寄存器1(UART Control Register 1)UART提供了4組控制寄存器用來對其進行功能設置，首先是UCR1，先看寄存器結構

ADEN(bit[15])Automatic Baud Rate Detection Interrupt Enable，自動波特率偵測中斷使能，允許ADET標志位(UARTx_USR2 bit[15])觸發中斷

ADBR(bit[14])Automatic Detection of Baud Rate，自動檢測波特率使能，大概意思就是當該位值為1且ADET被清除時，接收器通過接收一個字符A或者a,對比其ASCII碼為0x41或0x61，去確認合適的比特率。

TRDYEN(bit[13])Transmitter Ready Interrupt Enable，數據發送准備中斷使能

IDEN(bit[12])Idle Condition Detected Interrupt Enable，一個什么中斷使能，這個暫時沒搞懂，暫時應該也用不上

中間幾個中斷使能就不說了，最后一個就是UART的使能UARTEN(bit[0])，整個寄存器我們暫時應該也就是能用到這一個bit。(自動獲取波特率只能到115200，先關閉不用)

UARTx_UCR2
控制寄存器2，寄存器結構如下

手冊上有很詳細的解釋，這里只說一下需要用到的幾個

IRTS(bit[14])Ignore RTS Pin，1時忽略RTS引腳，我們在使用TTL電平串口信號時只用到RXD和TXD，RTS和CTS一般是不使用的，設置為1即可。

PREN(bit[8])Parity Enable，校驗使能，1時使能校驗功能

PROE(bit[7])Parity Odd/Even，校驗方式：1為奇校驗，0為偶校驗

STPB(bit[6])停止位，0時停止位1bit，1時2bit

WS(bit[5])Word Size，數據位長度，0時7bit，1時8bit(該長度不包含起始、結束及校驗位)

TXEN(bit[2])Transmitter Enable，發送數據使能，1時使能

RXEN(bit[1])Receiver Enable，接收數據使能

SRET(bit[0])Software Reset，軟件復位，寫0時對FIFO，USR1,USR2,UBIR，UBMR，UBRC，URXD，UTXD和UTS[6:3]進行復位，但復位前保留4個時鍾周期用來進行其他的操作。復位后該位自動置1。

UARTx_UCR3

控制寄存器3

這個我們只用到了一個RXDMUXSEL，因為手冊上說了這個應給被置1

其他的位我們暫時也都用不到。

UARTx_UFCR

緩存控制寄存器UART FIFO Control Register，這里我們主要用來設置分頻器

RFDIV(bit[9:7])里定義了從CCM過來的時鍾的分頻

注意這個分頻不是按照數值+1的模式進行分頻的，看具體的值，這個分頻器決定的UART的參考時鍾

UARTx_USR2

狀態寄存器1我們也用不到，這里要用到狀態寄存器2

ADET(bit[15])Automatic Baud Rate Detect Complete，波特率檢測完畢，當1時接收到合適的A或者a字符，需要寫1清除狀態

TXFE(bit[14])Transmit Buffer FIFO Empty，發送緩存狀態，1時表示緩存區為空

TXDC(bit[3])Transmitter Complete，發送完成標志位，1時表示發送數據完成，發送寄存器或發送緩存寫入數據，該位自動清零

RDR(bit[0])Receive Data Ready，數據接收標志位，為1時表示至少還有1個數據要接收

UARTx_UBIR和UARTx_UBMR

用來湊波特率的兩個寄存器，參考手冊第55.5章節介紹了波特率的計算方法

RefFreq就是經過分頻后的參考時鍾，比如我們時鍾為80MHz，分頻為1分頻，想要用115200的波特率，就要自己湊了，正點原子給出的數據是UBMR=3124,UBIR=71,那么

其實NGP給了個函數，可以根據我們需要的波特率計算出對應的參數。

UART使用

使用UART的流程和其他的外設差不多也是先初始化、再使用

時鍾源設置

有一點要注意：修改時鍾樹對應的時鍾源，UART和其他的外設用到的不是一個時鍾源，我們前面的用到的都是IPG_CLK，UART用到的的是UART_CLK_ROOT

我們需要通過CSCDR1選擇6分頻的pll3(480MHz)，也就是80MHz，后面分頻器為1分頻。根據手冊可以查出，UART_CLK_SEL為bit[6],值應為1，分頻器UART_CLK_PODR對應bit[5:0]，對應2^6+1分頻，1分頻值為0。

所以要修改我們的clk初始化函數clk_init

/*--------------------------UART_CLK設置--------------------------*/
    /*UART_CLK_ROOT主頻設置為80MHz*/
    CCM->CSCDR1 &= ~(1<<6);                //CSCDR1[UART_CLK_SEL](bit[6])=0,時鍾源80MHz
    CCM->CSCDR1 &= ~(7<<0);                //CSCDR1[UART_CLK_PODF](bit[5：0])設置為0，對應1分頻
/*-------------------------UART_CLK設置完畢------------------------*/

這步一定要記得！否則波特率就亂了！我在調試的時候就是忘了這一步！

UART初始化

UART的初始化包括IO的復用設置、UART參數設置、波特率設置。主要就是設置UCR1、UCR2、UCR3、UFCR、UBIR、UBMR幾個寄存器。在設置寄存器值時，應該按照下面的順序

關閉串口功能(UARTEN=0)
復位UART(SRET=0),復位時等待SRET為1，即復位完畢
設置相關寄存器的值
使能UART

配置寄存器的過程如下：

    /*配置UART1*/
    UART1->UCR1 = 0;
    // UART1->UCR1 &= ~(1<<14);

    /*配置UCR2*/
    UART1->UCR2 = 0;                                 //清除UCR0
    UART1->UCR2 |= (1<<1) |(1<<2) |(1<<5)|(1<<14);   //從左起:RXEN=1 TXEN=1 WS=1 IRTS=1
                                                     //接收、發送使能、數據長度為8bit 忽略RTS引腳
    /*配置UCR3*/
    UART1->UCR3 |= (1<<2);                           //RXDMUXSEL=1

    //波特率設置115200
    UART1->UFCR &= ~(7<<7);                          //RFDIV進行清零
    UART1->UFCR = 5<<7;                              //設置1分頻,uart_clk=80MHz

    UART1->UBIR = 71;
    UART1->UBMR = 3124;

其實還是比較簡單的。

其他的幾個關閉、使能等函數放在最后。

數據接收、發送

數據的發送、接收就是對URXD、UTXD的低8位進行操作

/**
 * @brief           通過UART1發送1個字符
 * 
 * @param c         待發送的字符
 */
void putc(unsigned char c)
{
    while(((UART1->USR2 >>3) & 0x01) == 0);     //等待前一個發送流程完畢
    UART1->UTXD = (c & 0xFF);
}

/*通過UART1接收一個字符*/
unsigned char getc(void)
{
    while(((UART1->USR2)&0x01) == 0);          //等待前一個接收流程完畢
    return UART1->URXD;
}

/**
 * @brief           發送字符串
 * 
 * @param str       待發送的字符串 
 */
void puts(unsigned *str)
{
    char *p = str;
    while(*p){
        putc(*p++);
    }
}

這樣就完成了所有的功能定義。

文件結構：

UART功能的文件結構和其他外設一樣

兩個文件如下：

/**
 * @file bsp_uart.c
 * @author your name (you@domain.com)
 * @brief uart功能定義
 * @version 0.1
 * @date 2022-01-17
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2022
 * 
 */
#include "bsp_uart.h"

//初始化uart1,波特率固定為115200
void uart_init(void)
{
    uart_io_init();             //IO初始化
    uart_disable(UART1);        //關閉串口
    uart_softreset(UART1);      //復位UART1

    /*配置UART1*/
    UART1->UCR1 = 0;
    // UART1->UCR1 &= ~(1<<14);

    /*配置UCR2*/
    UART1->UCR2 = 0;                                 //清除UCR0
    UART1->UCR2 |= (1<<1) |(1<<2) |(1<<5)|(1<<14);   //從左起:RXEN=1 TXEN=1 WS=1 IRTS=1
                                                     //接收、發送使能、數據長度為8bit 忽略RTS引腳
    /*配置UCR3*/
    UART1->UCR3 |= (1<<2);                           //RXDMUXSEL=1

    //波特率設置115200
    UART1->UFCR &= ~(7<<7);                          //RFDIV進行清零
    UART1->UFCR = 5<<7;                              //設置1分頻,uart_clk=80MHz

    UART1->UBIR = 71;
    UART1->UBMR = 3124;

    uart_enable(UART1);         //使能UART1
}

/**
 * @brief IO初始化為UART
 * 
 */
void uart_io_init(void)
{   
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX,0);//復用為UART1_TX 
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX,0x10b0);

    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX,0);
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_RX_DATA_UART1_RX,0x10b0);
}


/**
 * @brief           關閉UART串口
 * 
 * @param base      UART結構體
 */
void uart_disable(UART_Type *base)
{
    base->UCR1 &= (1<<0);
}


/**
 * @brief           使能UART串口
 * 
 * @param base      UART結構體
 */
void uart_enable(UART_Type *base)
{
    base->UCR1 |= (1<<0);
}


/**
 * @brief           UART軟復位
 * 
 * @param base      UART結構體
 */
void uart_softreset(UART_Type *base)
{
    base->UCR2 &= ~(1<<0);                     //SRET=0
    while((base->UCR2 & 0x01) == 0 );          //復位完畢，SRET=1
}


/**
 * @brief           通過UART1發送1個字符
 * 
 * @param c         待發送的字符
 */
void putc(unsigned char c)
{
    while(((UART1->USR2 >>3) & 0x01) == 0);     //等待前一個發送流程完畢
    UART1->UTXD = (c & 0xFF);
}

/*通過UART1接收一個字符*/
unsigned char getc(void)
{
    while(((UART1->USR2)&0x01) == 0);          //等待前一個接收流程完畢
    return UART1->URXD;
}

/**
 * @brief           發送字符串
 * 
 * @param str       待發送的字符串 
 */
void puts(unsigned *str)
{
    char *p = str;
    while(*p){
        putc(*p++);
    }
}

bsp_uart.c

頭文件

/**
 * @file bsp_uart.h
 * @author your name (you@domain.com)
 * @brief uart頭文件
 * @version 0.1
 * @date 2022-01-17
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2022
 * 
 */
#ifndef __BSP_UART_H
#define __BSP_UART_H

#include "imx6ul.h"


void uart_io_init(void);
void uart_disable(UART_Type *base);
void uart_enable(UART_Type *base);
void uart_softreset(UART_Type *base);

void putc(unsigned char c);
unsigned char getc(void);
void puts(unsigned *str);
#endif

bsp_uart.h

在main函數里導入頭文件以后，調用函數

int_init();
imx6u_clkinit();
clk_enable();
uart_init();

while(1)
{   
    puts("input a char");
    a=getc();
    putc(a);
    puts("\r\n");
    puts("your input is:");
    putc(a);
    puts("\r\n");
}

就可以使用串口實現數據交互了。

PC上運行SecureCRT，使用串口連接，Soc從PC串口接收一個字符，然后返回給PC，就是這么個效果。

波特率計算

前面我們已經實現了數據的通訊，但是波特率是固定在115200，並且波特率的計算也是我們湊出來了，可以如果我們需要9600的比特率，還要在湊半天。NXP給我們的SDK包里提供了一個函數，可以直接設置對應的寄存器，這個函數可以直接調用

/**
 * @brief                   設置比特率(官方代碼)
 * 
 * @param base              UART結構特
 * @param baudrate          要設置的比特率
 * @param srcclock_hz       
 */
void uart_setbaudrate(UART_Type *base, unsigned int baudrate, unsigned int srcclock_hz)
{
    uint32_t numerator = 0u;        //分子
    uint32_t denominator = 0U;        //分母
    uint32_t divisor = 0U;
    uint32_t refFreqDiv = 0U;
    uint32_t divider = 1U;
    uint64_t baudDiff = 0U;
    uint64_t tempNumerator = 0U;
    uint32_t tempDenominator = 0u;

    /* get the approximately maximum divisor */
    numerator = srcclock_hz;
    denominator = baudrate << 4;
    divisor = 1;

    while (denominator != 0)
    {
        divisor = denominator;
        denominator = numerator % denominator;
        numerator = divisor;
    }

    numerator = srcclock_hz / divisor;
    denominator = (baudrate << 4) / divisor;

    /* numerator ranges from 1 ~ 7 * 64k */
    /* denominator ranges from 1 ~ 64k */
    if ((numerator > (UART_UBIR_INC_MASK * 7)) || (denominator > UART_UBIR_INC_MASK))
    {
        uint32_t m = (numerator - 1) / (UART_UBIR_INC_MASK * 7) + 1;
        uint32_t n = (denominator - 1) / UART_UBIR_INC_MASK + 1;
        uint32_t max = m > n ? m : n;
        numerator /= max;
        denominator /= max;
        if (0 == numerator)
        {
            numerator = 1;
        }
        if (0 == denominator)
        {
            denominator = 1;
        }
    }
    divider = (numerator - 1) / UART_UBIR_INC_MASK + 1;

    switch (divider)
    {
        case 1:
            refFreqDiv = 0x05;
            break;
        case 2:
            refFreqDiv = 0x04;
            break;
        case 3:
            refFreqDiv = 0x03;
            break;
        case 4:
            refFreqDiv = 0x02;
            break;
        case 5:
            refFreqDiv = 0x01;
            break;
        case 6:
            refFreqDiv = 0x00;
            break;
        case 7:
            refFreqDiv = 0x06;
            break;
        default:
            refFreqDiv = 0x05;
            break;
    }
    /* Compare the difference between baudRate_Bps and calculated baud rate.
     * Baud Rate = Ref Freq / (16 * (UBMR + 1)/(UBIR+1)).
     * baudDiff = (srcClock_Hz/divider)/( 16 * ((numerator / divider)/ denominator).
     */
    tempNumerator = srcclock_hz;
    tempDenominator = (numerator << 4);
    divisor = 1;
    /* get the approximately maximum divisor */
    while (tempDenominator != 0)
    {
        divisor = tempDenominator;
        tempDenominator = tempNumerator % tempDenominator;
        tempNumerator = divisor;
    }
    tempNumerator = srcclock_hz / divisor;
    tempDenominator = (numerator << 4) / divisor;
    baudDiff = (tempNumerator * denominator) / tempDenominator;
    baudDiff = (baudDiff >= baudrate) ? (baudDiff - baudrate) : (baudrate - baudDiff);

    if (baudDiff < (baudrate / 100) * 3)
    {
        base->UFCR &= ~UART_UFCR_RFDIV_MASK;
        base->UFCR |= UART_UFCR_RFDIV(refFreqDiv);
        base->UBIR = UART_UBIR_INC(denominator - 1); //要先寫UBIR寄存器，然后在寫UBMR寄存器，3592頁 
        base->UBMR = UART_UBMR_MOD(numerator / divider - 1);
    }
}

make的事項

在導入上面自動設置波特率的函數以后，在make的時候會報錯

錯誤提示是變量未定義，原因是我們調用uart_setbaudrate這個函數時候需要進行除法運算，而ARM沒有除法運算的硬件結構，進行除法運算需要借助軟件編譯器，軟浮點的實現是在一個叫做libgcc.a的庫中。這個庫需要我們在編譯的時候指定。因為我直接用到樹莓派自帶的交叉編譯器，庫的地址可以在/lib路徑下搜一下：

教程用的交叉編譯器版本是4.9.4，我用的是8.3

暫時還沒出現什么問題，記錄下libgcc.a的路徑，添加在makefile中

 1 CC                := $(CROSS_COMPILE)gcc
 2 LD                 := $(CROSS_COMPILE)ld
 3 OBJCOPY            := $(CROSS_COMPILE)objcopy 
 4 OBJDUMP            := $(CROSS_COMPILE)objdump 
 5 
 6 LIBPATH            := -lgcc -L /lib/gcc/arm-linux-gnueabihf/8   #制定依賴庫路徑
 7 
 8 $(TARGET).bin : $(OBJS)
 9 
10     $(LD) -Timx6ul.lds -o $(TARGET).elf $^ $(LIBPATH)         #將所有依賴文件鏈接，生成.elf文件
11     $(OBJCOPY) -O binary -S $(TARGET).elf $@                #將elf轉換為依賴的目標集合
12     $(OBJDUMP) -D -m arm $(TARGET).elf > $(TARGET).dis        #將elf文件反匯編

要對原先的通用Makefile進行修改：

添加第6行，通過一個變量指定依賴的路徑
修改第4行，在鏈接的時候引用變量

修改完了make一下，看到會報一個錯！

原因是我們定義的putc和puts兩個函數和libgcc.a庫里的原生的函數重名了。要解決這個問題還是修改Makefile文件

1 # 靜態模式 <Targets...>:<tatgets-pattern>:<prereq-patterns...>下面兩天為自寫
2 $(SOBJS) :    obj/%.o    :    %.s  #將所有的.s文件編譯成.o文件放在obj文件夾內
3     $(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $<
4 
5 $(COBJS) : obj/%.o : %.c 
6     $(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2  $(INCLUDE) -o $@ $<

在第3、6行加上參數-fno-builtin，意思是不調用C語言的內建函數。這樣調用的函數就是我們自己定義的函數了。

make以后還是有個錯誤

通過提示大概意思就是要定義一個異常處理的函數raise，對應的idiv0我覺得意思是當除數為0時候的異常處理。我們定義一個空函數就可以了。

void raise(int sig_nr) 
{

}

在頭文件里聲明，搞定！

printf格式化函數的移植

我們前面的串口驅動，只能發送一般的字符，如果需要輸出數字的時候還要將數字轉換為字符，很不方便。一般很常用的方法就是把printf函數映射到串口上，那樣就可以直接使用printf函數來完成格式化輸出了。

庫移植

將教程提供的stdio文件夾復制到項目根目錄下，修改Makefile文件

從文件名稱就可以看出來，目錄下include文件夾里的是頭文件，lib里是源代碼，將該路徑添加到Makefile里。進行make。

函數調用

導入這個庫以后就可以直接使用格式化輸入和輸出了

    int a,b;
    while(1)
    { 
        printf("請輸入兩個值，用空格隔開");
        scanf("%d %d",&a,&b);
        printf("\r\n 數據%d+%d=%d\r\n",a,b,a+b);
    }

上面的代碼是在main函數中的，前面初始化串口、時鍾什么的我沒有截取，主要就是看一下怎么使用兩個函數。但是要注意一點：被移植的printf不支持浮點類運算！！！

這里跟教程有些區別：

前面說過，正點原子提供的教程上使用的交叉編譯器什4.9.4，而我用到時8.3，我對照在X86架構下使用4.9.4在make的時候會報錯：

錯誤信息thumb conditional instruction should be in IT block -- `addcs r5,r5,#65536'，這個指令集錯誤我沒有找到出處，解決辦法是在編譯C文件時候加上一個參數：Wa,-mimplicit-it=thumb(百度上直接給的方案，沒有找到具體的解決流程和原因)

修改后的Makefile

# 靜態模式 <Targets...>:<tatgets-pattern>:<prereq-patterns...>下面兩天為自寫
$(SOBJS) :    obj/%.o    :    %.s  #將所有的.s文件編譯成.o文件放在obj文件夾內
    $(CC) -Wall -nostdlib -fno-builtin -c -O2 $(INCLUDE) -o $@ $<

$(COBJS) : obj/%.o : %.c 
    $(CC) -Wall -Wa,-mimplicit-it=thumb -nostdlib -fno-builtin -c -O2  $(INCLUDE) -o $@ $<

燒錄sd卡就行了。

調試時候的BUG

在最后調試的時候出現了一個大BUG，這里記錄一下吧，免得以后忘了！

開始怎么也沒搞清，現象就是添加玩stdio庫以后make能成功，但是用imxdownload下載一直報錯

先后試過教程提供的源碼，更換了交叉編譯器，重新編譯了下載軟件一直都不行，按理說報dd錯誤是磁盤寫入失敗，燒錄前面的所有程序都可以，在后來發現只要寫入到文件size沒有超過10000Bytes都正常，就沒想過是卡的問題。直到發現燒錄完以前的程序發現上電后初始化非常慢，想到卡可能出問題了，用fdisk格式化失敗，Ubuntu下使用好幾個磁盤工具格式化都報錯，換了個讀卡器也不行。沒辦法找了個win10的PC，格式化了一下，還是不行，用Imager燒錄了個樹莓派的鏡像，沒問題，回來重新燒錄一遍，竟然好了！估計是最近經常用讀卡器是不是有什么問題了。

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